Спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму та пристрій для його реалізації

Винахід відноситься до електротехніки та може бути використаний в системах автоматичного регулювання вихідних параметрів турбомеханізмів, а саме в насосних установках систем водопостачання, водовідливних установках, компресорних станціях гірничорудних підприємств. Електропривод турбомеханізмів (насосів, вентиляторів, компресорів) відноситься до енергоємних споживачів, де необхідне регулювання режимів роботи відповідно до вимог технологічного процесу. У промисловості найбільш часте регулювання вихідних параметрів здійснюється дроселюванням, недоліками якого є низький к.к.д. турбомеханізма, малий діапазон зміни подач, наявність непродуктивних втрат енергії на дроселюючому органі. Регулювання продуктивності впливом на турбоагрегат шляхом зміни ступеню відкриття вхідного направляючого апарату характеризується значно меншим зниженням к.к.д. турбомеханізма, однак застосування направляючого апарата істотно ускладнює конструкцію й обслуговування установки. Регулювання подачі зміною частоти обертання вала двигуна турбомеханізма з використанням перетворювача частоти чи напівпровідникового регулятора напруги відноситься до енергетичне більш вигідного методу через відсутність непродуктивних втрат енергії, незначної зміни к.к.д. установки, що забезпечує плавність регулювання вихідних параметрів. Однак, насоси систем комунального водопостачання та водовідведення, шахтні водовідливні установки, компресори гірничорудних підприємств характеризуються значною величиною встановленої потужності, різними схемами з'єднання турбомеханізмів (паралельними, послідовними, змішаними), широким діапазоном зміни вихідних технологічних параметрів. При груповому характері роботи турбомашин необхідний діапазон регулювання частоти обертання регульованого турбоагрегату складає 7-10% униз від номінальної швидкості, а при збільшенні числа одночасно включених агрегатів - звужується до 3%. У зв'язку з цим, очевидно недовикористання регульованого електропривода по своїм регулюючим можливостям. Крім того, потужність перетворювача частоти чи напівпровідникового регулятора напруги вибирається на величину встановленої потужності турбомеханізма, що веде до значних вартісних витрат. Для реалізації функцій регулювання технологічних параметрів турбомеханізмів необхідне використання альтернативних способів керування, що по своїм регулюючим можливостям не поступаються відомим традиційним методам регулювання та відрізняються більш високими енергетичними й економічними показниками. Відомий спосіб регулювання продуктивності турбомеханізма перепуском частини рідини (газу) з напірного трубопроводу у всмоктуючий по обвідному трубопроводу, на якому встановлені регулювальний клапан і теплообмінник [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.194-197]. При необхідності зменшення витрати в комунікаційній системі по сигналу пристрою виміру тиску чи продуктивності турбомеханізму спрацьовує регулятор і видає імпульс на регулюючий клапан, що забезпечує перепуск частини робочого середовища по обвідному (байпасному) трубопроводу через теплообмінник з метою виключення нагрівання. Регулювання перепуском є енергетично недоцільним, оскільки зв'язано з завищеними витратами потужності, що відповідають значенню вихідної продуктивності турбомеханізму перед регулювальним клапаном; при цьому енергія рідини (газу), що проходить по обвідному тр убопроводу, непродуктивно губиться в теплообміннику й у дроселюючому органі. Відома система регулювання продуктивності компресора [АС СССР №826088, кл. F04D27/00 1981], що містить в обвідному трубопроводі регулюючий клапан, регулятор, витратомір, охолоджувач і турбохолодильник. По сигналу витратоміра регулятор впливає на регулюючий клапан. Газ, що перепускається з нагнітання на втягування, охолоджується в охолоджувачі, що виконаний у вигляді газоповітряного теплообмінника з вентилятором, вал якого з'єднаний з валом турбохолодильника. Потім газ розширюється в турбохолодильнику з охолодженням і виробленням механічної енергії, що передається на вал вентилятора. До недоліків даної системи варто віднести підвищені вартісні витрати, а також наявність втрат енергії в дроселюючих елементах обвідного трубопроводу. Відомий спосіб регулювання продуктивності турбомеханізма байпасуванням, технологічний ланцюг якого складається з вхідної і вихідної засувок відповідно на втягуванні та нагнітанні, витратоміра, регулюючого клапану й розширювальної турбіни (турбодетандера), що виконує роль регулюючого органа та з'єднана з валом турбомеханізму, віддаючи йому додаткову потужність [Михайлов А.К., Ворошилов В.П Компрессорные машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.198-199]. Такий спосіб виправданий, якщо турбомеханізм значний час працює з антипомпажним регулюванням при продуктивностях, менших критичної (всередині зони помпажу). До недоліків подібного методу варто віднести наявність втрат енергії в регулюючому клапані, а також відсутність можливості регулювання потужності турбіни. Задачою винаходу є підвищення енергоефективності й економічності роботи турбомеханізму. Поставлена задача досягається тим, що запропонований спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму здійснюється регулюванням гідравлічної потужності турбіни, встановленої в байпасному трубопроводі, вал якої з'єднаний з електричною машиною, підключеною до мережі змінного струму. При цьому енергія, що відбирається байпасним потоком, йде не на вал турбомеханізма, а на вал електричної машини і потім в енергомережу. Гідравлічна чи пневматична турбіна виконує роль активного регулюючого пристрою, що здійснює зміну технологічних параметрів (продуктивності чи тиску), при цьому енергія повертається в енергомережу з деякими втратами, що зумовлені внутрішніми втратами в самій турбіні й в електромеханічних ланках системи. Для підтримки необхідних значень технологічних параметрів у мережі споживача регулювання продуктивності на виході турбомеханізма може здійснюватися двома варіантами. Перший полягає у використанні регульованого електропривода турбіни, де шляхом зміни швидкості обертання вала приводного двигуна за рахунок керування частотою стр уму на ви ході перетворювача частоти домагаються зміни кількості води, що проходить через турбіну, й, отже, зміни потужності на валу електричної машини. При цьому в якості системи регульованого електричного приводу може бути використаний, наприклад, частотно-регульований електропривод з вентильним двигуном. Другий спосіб полягає в тому, що турбіна приводиться в рух двигуном з нерегульованою швидкістю обертання, а величина потужності, що передається на вал електричної машини з турбіни, може бути змінена шляхом регулювання кількості минаючої через неї води за допомогою спеціального направляючого апарата, встановленого на вході турбіни. Винахід пояснюється кресленнями: фіг.1 - Блок-схема способу регулювання продуктивності турбомеханізма; фіг.2 - Криві зміни продуктивності турбіни при різних способах відбору потужності та змінних параметрах трубопровідної системи; фіг.3 - Криві к.к.д. турбіни при зміні степені відкриття направляючого апарату; фіг.4 - Криві к.к.д. турбіни при зміні частоти її обертання; фіг.5 - Алгоритм роботи програмно-керуючого пристрою 5 для реалізації способу регулювання продуктивності турбомеханізма зміною швидкості обертання турбіни; фіг.6 - Алгоритм роботи програмно-керуючого пристрою 5 для реалізації способу регулювання продуктивності турбомеханізма зміною ступеню відкриття направляючого апарату. Запропонований спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму (фі г.1), те хнологічний ланцюг якого містить турбомеханізм 1 з турбіною 2 в обвідному (байпасному) трубопроводі, першу засувку 10 на виході турбомеханізма, першу і другу засувки 11 і 12 на вході і ви ході турбіни, оснащені першим, другим і третім виконавчими механізмами 13-15, датчик виміру витрати 6, згідно винаходу, з метою підвищення енергоефективності й економічності роботи турбомеханізму обвідний трубопровід додатково містить електричну машину 3, перетворювач частоти 4, програмно-керуючий пристрій 5, направляючий апарат 7, пристрій установки лопатей 8, вимикач 9. Вал турбіни з'єднаний з електричною машиною, підключеною через вимикач 9 і перетворювач частоти 4 до мережі змінного струму, що керується за допомогою програмно-керуючого пристрою 5. Регулювання вихідних параметрів турбомеханізму може здійснюватися електричним способом впливом на привод турбіни (фіг.1, суцільні лінії) або впливом на саму турбіну шляхом зміни ступеню відкриття направляючого апарату (фіг.1, пунктирні лінії). У першому випадку при необхідності зменшення продуктивності на виході турбомеханізму регулювання відбувається зміною кількості робочого потоку, що протікає через байпасний трубопровід, шля хом зміни частоти струму на виході перетворювача, і, відповідно, зміни швидкості обертання вала електродвигуна турбіни при відкритих засувках 10, 11, 12. Після установки швидкості обертання двигуна турбіни, при якій продуктивність на виході турбомеханізму відповідає заданій в мережі споживача, електричний двигун і перетворювач переводять у режим рекуперації енергії в енергомережу. У другому випадку регулювання робочого потоку, що протікає через турбіну, здійснюється за допомогою направляючого апарата 7, встановленого на вході турбіни, і пристрою установки лопатей 8, керуючий вхід якого зв'язаний із програмно-керуючим пристроєм 5, шляхом зміни ступеню відкриття направляючого апарату турбіни, при якому продуктивність на виході турбомеханізму відповідає необхідній у споживача, після чого електричну машину переводять у режим рекуперації енергії в енергомережу. Для аналізу ефективності використання системи активного регулювання продуктивності турбомеханізма в комунікаційних мережах розглянемо напірно-витратні характеристики елементів байпасного ланцюга для двох варіантів регулювання потужності турбіни: - для опису турбомеханізму справедлива залежність (1) Нтм = Н0 тм - Rв тм × Q 2 тм - для турбіни Нт = Н0т - Rв т × Q 2 т - для комунікаційної системи (2) Нс = Нст - Rс × Q 2 тм (3) де Нтм - напір турбомеханізма; Нт - напір турбіни; Нст - статичний напір у комунікаційній мережі; Q тм продуктивність турбомеханізму; Q т - продуктивність на виході турбіни; Rв тм - внутрішній опір турбомеханізму; Rв т - внутрішній опір турбіни; Rс - опір трубопровідної системи; Н0 тм , Н0т - напір турбомеханізму й турбіни, при якому продуктивність на виході агрегату дорівнює нулю, відповідно. При регулюванні потоку, що надходить на турбіну, за допомогою направляючого апарата шляхом зміни R ступеню його відкриття (фіг.1, пунктирні лінії), змінюється опір турбінної установки ту , що включає постійний внутрішній опір Rв т самої турбіни й опір Rна , що змінюється, направляючого апарата. Система рівнянь для розглянутого випадку має вид: ìН0тм + Нот = Rв тмQ 2 + (Rв т + R на )Q 2 тм т ï ï (4) Нотм - Нст = Rв тмQ 2 + Rс Q 2 í тм сп ïQ = Q + Q т сп ï тм î де Q сп - кількість робочого потоку, що йде до споживача (фіг.1). Вирішення системи (4) дозволило визначити: - продуктивність турбомеханізму Q тм = Н0тм (1+ h2 ) (5) Rв тм (1 + r2 a 2 ) ; - продуктивність турбіни (кількість робочого середовища, що відводиться через байпасний трубопровід) Q т = a Q тм ; (6) - продуктивність у мережі споживача Q сп = Q тм - Q т ; (7) - b + b2 - 4ac 2a де у виразах (5)-(7): ; a = r 2 - h1r 2 - r 1 - h 2r 1 ; b = 2r 1(1 + h2 ) ; c = -h1 - r1 - h2 - h 2r 1 ; Н ст Н от Rс (R в т + R на ) h1 = h2 = r1 = r2 = Н отм ; Н отм ; R в тм ; R в тм . Підставляючи вираз (6) у (2), одержимо напір, що створюється турбіною. Тоді гідравлічна потужність, що відбирається турбіною від потоку, дорівнює Рп = Нт Q т . (8) a= При регулюванні частоти обертання робочого колеса турбіни використанням регульованого електропривода справедлива система рівнянь виду: ìН0тм + Нот n 2 = R в тмQ 2 + Rв тQ 2 тм т ï ï 2 2 (9) íНотм - Нст = Rв тмQ тм + Rс Q сп ïQ = Q + Q т сп ï тм î Вирішення системи (9) дозволило визначити: - продуктивність турбомеханізму Q тм = Н0 тм (1+ h2 n 2 ) (10) Rв тм (1 + r¢2 a 2 ) ; - продуктивність на виході турбіни Q т = a Q тм ; (11) - витрати у мережі споживача Q сп = Q тм - Q т ; де у виразах (9)-(12): Н ст = h = -h1 - r1 - h2 n 2 - h2 n 2 r1 ; 1 Н отм c (12) - b + b2 - 4ac = r¢ - h1r¢ - r1 - h 2n 2r1 ; a = 2r1 + 2h2 n 2 r1 ; b 2a 2 2 ; Н от Rс Rв т nт = h2 = r1 = r¢ = n 2 Rв тм ; nнт - відносна частота обертання Н отм ; R в тм ; ; = a вала турбіни; nнт - номінальна частота обертання турбіни. Гідравлічна потужність турбіни при регулюванні швидкості обертання робочого колеса визначається відповідно до виразу (8.) На фіг.2 приведені криві зміни продуктивності на виході турбіни при різних способах регулювання потужності турбіни та змінних параметрах комунікаційної мережі, аналіз яких показав, що регулювання зміною швидкості обертання вала електричної машини турбіни дозволяє регулювати продуктивність у межах 30% униз від номінальної величини подачі; регулювання ступенем відкриття направляючого апарата - у межах 20% вверх від мінімальної продуктивності, що має місце при максимальному закритті направляючого апарата. Rc – опір трубопровідної системи; v - відносна швидкість турбіни; a 0 = a0 / a 0ном - відносне відкриття направляючого апарата турбіни; q¹Q/Qном – відносна продуктивністьтурбіни. Дослідження показали, що при роботі турбомеханізму, наприклад, типу Д4000-595 (Рн=1350кВт) на мережу з постійними параметрами (Нст=0,3Н0тм і Rс=3,28Rвтм ) при необхідності зміни продуктивності в межах 40% униз від номінальної можливе застосування турбіни радіально-осьового типу з установленою потужністю порядку 317кВт, що складає 23.5% повної потужності турбомеханізму. Зі збільшенням параметрів мережі споживача (опору, статичного напору мережі) для тих же діапазонів регулювання продуктивності розрахункове значення гідравлічної потужності турбіни зменшується. При роботі цього ж турбомеханізму на мережу з параметрами Н ст=0,61Н0тм та Rс=2,1Rвтм , розрахункове значення гідравлічної потужності турбіни зменшується і складає 180кВт (13.3% повної потужності турбомеханізму) при підтримці значення витрати в мережі в межах 60% від номінальної величини. На фіг.3 і 4 приведені енергетичні характеристики радіально-осьової турбіни в системі активного регулювання технологічного ланцюга турбомеханізму при зміні відкриття направляючого апарата (фіг.3) та частоти обертання вала турбіни (фіг.4), аналіз яких показав, що к.к.д. турбіни досить високий (h = 0,87 ¸ 0,92) для обох варіантів регулювання. Запропонований спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму може бути реалізований за допомогою пристрою (фіг.1), у якому обвідний трубопровід турбомеханізму при регулюванні потужності турбіни електричним шляхом (фіг.1, суцільні лінії) додатково містить розташовану на одному валу з турбіною електричну машину змінного струму 3, перетворювач частоти 4 і вимикач 9; причому статорні затискачі електричної машини 3 зв'язані з виходом перетворювача 4, вхід якого з'єднаний із промисловою мережею через вимикач 9; керуючий вхід перетворювача частоти зв'язаний з першим виходом програмно-керуючого пристрою 5; другий, третій і четвертий виходи програмно-керуючого пристрою 5 зв'язані з керуючими входами першого, другого і третього виконавчих механізмів 13-15 першої засувки 10 на виході турбомеханізму і першої та другої засувок 11, 12 на вході й виході турбіни; вхід програмно-керуючого пристрою з'єднаний з датчиком виміру витрати 6. При регулюванні продуктивності впливом на турбіну (фіг.1 , пунктирні лінії) обвідний трубопровід турбомеханізму додатково містить встановлений на вході турбіни направляючий апарат 7 з підключеним до нього пристроєм установки лопатей 8, керуючий вхід якого зв'язаний з п'ятим виходом програмно-керуючого пристрою 5, що може бути реалізований на базі типових контролерів, наприклад, серії PI16FXX, Motorolla HC08. Алгоритм роботи програмно-керуючого пристрою для двох способів регулювання потужності турбіни наведений на фіг.5, 6. В якості турбіни можливе застосування пневмоторів, оборотних гідромашин, гідравлічних турбін, наприклад, серії ПЛ, що з погляду конструктивних та енергетичних параметрів, мають найкращі показники: у широкому діапазоні напорів підтримуються високі к.к.д. і повільніше знижується потужність зі спаданням напору в порівнянні з іншими типами гідротурбін. Електрична машина системи активного регулювання при малій встановленій потужності технологічної установки може бути представлена асинхронним генератором, включеним безпосередньо в енергомережу при роботі на ізольованого споживача і регулюванні подачі направляючим апаратом турбіни; асинхронним генератором, наприклад, серії АГВ280, із системою електричного приводу (асинхронний генератор-перетворювач частоти, асинхронно-вентильний каскад) чи з конденсаторним збудженням при роботі паралельно з енергосистемою і регулюванні подачі зміною швидкості турбіни. Для установок значної потужності доцільне застосування синхронних машин, наприклад, серій МСК і 2СН із регуляторами збудження. Реалізація режиму рекуперації енергії з поверненням енергії в енергомережу може бути здійснена з використанням чотирьохквандрантного перетворювача частоти. Запропонований спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму дозволяє підвищити енергетичні й економічні показники роботи турбомеханізмів, плавність регулювання та точність підтримки вихідних технологічних параметрів, що, у свою чергу, виключить появу пульсацій тиску й гідравлічних ударів у мережі споживача, підвищить надійність роботи всього технологічного комплексу.